Меню

Измерение температуры поверхности твердого тела



Выбор датчика температуры

Измерение температуры поверхности

Точно измерить температуру поверхности контактным термометром НЕ ВОЗМОЖНО. Почему? Ответ кроется в самом принципе контактного измерения температуры объекта. Фактически контактный термометр показывает температуру своего чувствительного элемента, будь то термометр сопротивления, термопара или другой датчик. Точность измерения тем выше, чем лучше тепловое равновесие этого чувствительного элемента с измеряемой средой. При достаточном погружении датчика в среду и отсутствии искажений температурного поля из-за теплоотвода по корпусу термометра в окружающее пространство, измерения температуры могут быть очень точными. Это, например, мы видим при измерении температуры в ампулах реперных точек МТШ-90 или при измерении в глубоких жидкостных термостатах.

Как только глубина погружения термометра в измеряемую среду уменьшается, тепловой поток по корпусу термометра в окружающую среду начинает влиять на показания, погрешность измерения возрастает. Граничный случай – выход чувствительного элемента на уровень поверхности объекта и попытка отсчитать показания так называемой «температуры поверхности». Понятно, что в условиях размещения датчика на поверхности мы уже имеем очень серьезное искажение температурного поля объекта самим измерительным датчиком. Датчик как бы отбирает часть тепла от поверхности, выводя его в окружающую среду. Тем самым показания становятся ложными, не отражающими ту «температуру поверхности», какой она бы была без вмешательства датчика.

Еще один очень важный момент, на который следует обратить внимание при попытке измерения температуры поверхности – температура на поверхности предмета, это характеристика не одного, а фактически двух объектов: самого тела, на который мы крепим датчик, и окружающей среды (для простоты изложения, предположим, что это воздух). Тепловой поток, исходящий от поверхности тела, зависит от перепада температуры между телом и воздухом и от движения воздуха под влиянием естественной и иногда вынужденной конвекции. Очевидно, что чем меньше перепад температуры и чем слабее движение воздуха, тем точнее можно измерить температуру поверхности.

Из изложенных выше соображений следует вывод, что датчик для измерения температуры поверхности должен быть миниатюрным (например, тонкая термопара, термистор или пленочный термометр на тонких выводящих проводах). В то же время он должен иметь очень прочный контакт с объектом, но на небольшом участке поверхности, чтобы не исказить условия теплообмена. Однако даже в этом случае, не следует ожидать от измерений температуры поверхности точности лучше, чем несколько градусов. Нужна ли высокая точность, скажем 0,1 °С, при измерении температуры поверхности? В принципе, этот вопрос важно рассматривать для любых бытовых и промышленных измерений температуры. Как правило, оказывается, что требования к точности термометров завышены. Погрешность в несколько градусов вполне приемлема, когда надо оценить температуру поверхности электроплиты, батарей отопления, железнодорожных рельсов, подшипников. Датчиков, измеряющих температуру поверхности с такой точностью довольно много. Они представляют собой чувствительный элемент, тонкую термопару или ТСП, вмонтированную в миниатюрный плоский корпус, иногда снабженный пружиной, поджимающий термометр к поверхности или магнитом.

Пример термометра для измерения температуры поверхности – TESTO 905-T2

Существуют и более точные датчики для измерения температуры поверхности. Однако, они более сложные и дорогие. Например, фирма ISOTECH выпускает измерительную систему под названием «944 True Surface Temperature Measurement System».

Принцип работы системы заключается в компенсации потока тепла, отводимого термометром в окружающую среду. Для этого на термометр монтируется нагреватель, мощность которого регулируется с помощью датчиков (термопар), измеряющих перепад температуры на длине термометра.

Таким образом, по мнению изобретателей, удается полностью ликвидировать температурный градиент, возникающий на границе датчик-поверхность и измерить «реальную» температуру поверхности.

Одной из самых сложных проблем контактного измерения температуры поверхности является обеспечение метрологической прослеживаемости результата измерений от эталона единицы температуры, т.е. поверка датчиков температуры поверхности.

Один из подходов к решению проблемы поверки поверхностных термометров – поверять поверхностные датчики методом погружения в термостат и сличения с эталонным термометром. Однако, как показывают эксперименты, данный метод является очень грубым и иногда приводит к ошибкам в несколько десятков градусов.

Многие фирмы предлагают специальные калибраторы для поверки поверхностных термометров. Самая распространенная конструкция – подогреваемая плита, под поверхностью которой в каналах располагаются эталонные датчики температуры. В данном методе предполагается, что температура на поверхности плиты очень близка к температуре под ее поверхностью.

Калибратор поверхностных термометров фирмы ИзТех

Такой метод не может дать высокую точность поверки. Обычно погрешность метода оценивают по погрешности встроенного термометра, который калибруется предварительно по эталону методом погружения. Однако даже если дисплей калибратора точно воспроизводит температуру встроенного термометра, нельзя утверждать, что эта температура равна температуре на поверхности плиты. Как уже отмечалось ранее, большое значение имеет тепловой поток от поверхности из-за конвекции и излучения. Кроме того, большое влияние на результат поверки в таком поверхностном калибраторе оказывает качество поверхности плиты и датчика и плотность контакта с поверхностью.

Читайте также:  Точность измерения расстояния по картам

Для того, чтобы учесть влияние теплового потока, были предложены расчетные и практические методы. Один из таких методов изложен в работе «The Calibration of Contact Surface Sensors: A Manufacturers Investigation. Electronic Development Laboratories Inc., 2003 NCSL International workshop and Symposium». Авторами предложен калибратор, называемый Surface Transfer Standard (STS), который представляет собой металлический блок, помещаемый в водяной перемешиваемый термостат.

Блок погружается таким образом, чтобы он выступал из жидкости на 11,5 мм. Верхняя крышка термостата находится на 10 см. выше уровня жидкости. Четыре тонких термопары встроены в блок на разных уровнях, так, чтобы отслеживать изменение температуры по длине блока. Температуру на поверхности получают методом экстраполяции показаний термопар.

Методом, при котором датчик не влияет на температуру поверхности, является метод бесконтактного измерения температуры с помощью пирометров и тепловизионных приборов. Однако при измерении температуры поверхности с помощью пирометров необходимо учитывать коэффициент излучения поверхности и влияние излучения от окружающих предметов, что вносит значительную неопределенность в результат измерения. (Более подробно о бесконтактных термометрах см. раздел «Радиационные термометры»).

Одним из интересных методов, позволяющих уточнить результат контактного измерения температуры поверхности является совместное использование контактного и неконтактного термометров. Метод заключается в том, что во время измерения температуры поверхности на термопару наводится тепловизор, показывающий перепад температуры вдоль корпуса термопары, по которому можно оценить погрешность контактного измерения.

Новый подход к измерению температуры поверхности и калибровке промышленных поверхностных термометров сейчас исследуется в рамках европейского проекта EMPRESS (http://www.strath.ac.uk/research/advancedformingresearchcentre/ourwork/projects/empressproject/)

Для точного измерения температуры поверхности используется новый тип преобразования – флуоресцентная термометрия. На последней конференции ТЕМПМЕКО 2016 был доложены последние результаты в этой области. Статья готовится к печати в журнале “International Journal of Thermophysics”. Суть метода заключается в том, что на поверхность калибратора наносится слой фосфора, который облучается потоком света от лазера или LED лампы. Приборы измеряют временное изменение интенсивности инициированного излучения поверхности, которое зависит от температуры поверхности. Таким образом, устраняется главная проблема контактного измерения температуры поверхности – тепловой поток по термометру и бесконтактного измерения – неизвестная излучающая способность поверхности.

На рисунке показан прототип поверхностного калибратора, который сейчас исследуется в INRiM. Тонкий слой температурно чувствительного фосфора нанесен на поверхность плиты. Фосфор облучается лазерным диодом. Вторичный оптический сигнал, проходящий по оптоволокну, преобразуется в электрический, слежение за которым позволяет наблюдать за изменением интенсивности флуоресценции во времени. Чувствительность такого метода сейчас достигает 0,05 °С до температуры 350 °С, воспроизводимость и однородность порядка 0,1 °С. Ожидаемая суммарная неопределенность метода оценивается 1 °С. Исследования продолжаются. Аналогичный метод, но с использованием облучения с помощью LED лампы, разрабатывается в NPL.

Источник

9. Измерение температуры твердых тел и их поверхности.

Непрерывно возрастающая интенсивность протекающих про­цессов, напряженность деталей тепловых двигателей ужесто­чает требования к точности оценки их температурного уровня. Особое значение приобретает надежная оценка и контроль тем­пературы трубок парогенераторов, тепловыделяющих элементов ядерных реакторов, лопаток газовых турбин, деталей цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания. Способы измерения температуры твердого тела и поверхности имеют свои особенности. Важно, чтобы при измерениях нарушения температурного поля были наименьшими.

Измерение температуры твердых тел, имеющих одинаковую температуру, осуществляется просто вводом внутрь термометра. Для этих целей наиболее пригодны термоэлектрические термо­метры благодаря малым габаритам чувствительного элемента, возможности дистанционного измерения, простоте и доступно­сти. Материалы термоэлектродов должны быть коррозионно-стойкими, не должны образовывать гальванической пары с ма­териалом измеряемого тела. Этим качеством удовлетворяют хромель-алюмелевые и хромель-копелевые термопары.

Измерениям температуры тела свойственна систематиче­ская погрешность, наибольшее значение которой соответствует случаю, когда тепловой контакт осуществлен только спаями термопары. Эта погрешность может быть оценена расчетным путем при решении одномерной задачи теплопроводности в ста­ционарных условиях.

Ввод датчиков искажает температурное поле измеряемого тела. Наименьшие нарушения будут при минимальных разме­рах датчика, надежном тепловом контакте и при вводе его по изотерме. Эти рекомендации легко осуществляются в слоистых материалах, например в изоляционном слое. В деталях тепло­вых двигателей, особенно подвижных, крепление датчиков, связь их с измерительными приборами сильно затруднена. Стремление сохранить прочность и плотность конструкции не всегда позволяет выполнить указанные рекомендации.

Читайте также:  Методы измерения раствора натрия

Наибольшие успехи в термометрировании деталей достиг­нуты в двигателях внутреннего сгорания. Сейчас отработаны способы измерения температуры стенок втулок ци­линдров, крышек, поршней, клапанов и др. В них с требуемой точностью определяются координаты рабочих спаев. На рис. 3.22, а представлено крепление термопары 1 с помощью пробок 3 длиною l и диаметром 5 ,мм в сквозном и глухом (рис. 3.22,6) отверстиях. Сквозные отверстия применяют для измерения температуры тела поршня и крышки цилиндра; глухие— для втулок цилиндров с выводом термоэлектродов в ох­лаждающую среду. В зависимости от рабочих условий и меха­нического взаимодействия со средой термоэлектроды имеют диаметры 0,1—0,5 мм. Сквозные отверстия выполняются диа­метром 3 мм, гнездо для пробок — 5 мм. На буртике гнезда укладываются рабочие концы термоэлектродов; они прижима­ются к телу 4 пробкой известной длины. Пробки устанавливают с прессовой или горячей посадкой; их изготовляют из одина­кового с измеряемым телом материала. Термоэлектроды по­мещены в двухканальную фарфоровую трубку 2. Установка термопары в глухом отверстии отличается только тем, что тер­моэлектроды и фарфоровая трубка находятся в пробке. Применяется также упрощенный вариант установки термопары 1 в глухом отверстии (рис. 3.22, в). Рабочий спай 5 прижимается к телу 4 фарфоровой трубкой 3, в которую уложены термо­электроды 1. Крепление фарфоровой трубки осуществляется термостойким клеем или зубным цементом 2.

В последнее время для измерения температуры труднодоступ­ных деталей (например, впускных и выпускных клапанов, порш­ней, форсунок ДВС) стали применять алмазные индикаторы. Индикаторы изготовляют из алмазного порошка, который облу­чают в атомном реакторе. После этого при нагревании некото­рые атомы «выпадают» из кристаллической решетки. Количе­ство «выпавших» атомов однозначно определяется температу­рой нагрева. Такие изменения достаточно устойчивы, т. е. алмаз как бы «запоминает» наибольшую достигнутую темпеpатуру. Считывание накопленной информации производится с по­мощью рентгенографирования. Предельная температура алмаз­ных индикаторов составляет 1100° С.

Алмазный индикатор имеет небольшие размеры: диаметр 1 мм, длину 3; 5 и 10 мм. Его устанавливают в сверлениях детали. Погрешность измерения температуры оценивается в 5%. Этот метод измерения температуры сравнительно прост, он дает разовую информацию о максимальных температурах тела без указания времени ее достижения.

Температуру поверхности тел измеряют контактными и не­контактными методами. В контактных методах необходимо ис­ключить нарушение условий обтекания и теплообмена с дви­жущейся средой.

Различают два способа крепления чувствительных элемен­тов: в специальных канавках и непосредственно на поверхно­сти. В первом случае термопара утапливается в тело на извест­ную глубину. Рабочие концы крепят зачеканиванием, сваркой и пайкой. Канавки закрывают и тщательно обрабатывают. Жела­тельно располагать канавки по изотерме, выбирать длину та­кой, чтобы отвод теплоты от спаев был незначителен, а возму­щения потока при выходе термоэлектродов в поток не распро­странились до рабочих концов.

Расчеты дают приближенные значения погрешности, поскольку она не учитывает искажение темпера­турного поля, геометрию канавки и термическое сопротивление, контакта. Уменьшение диаметров термоэлектродов, а следовательно, глубины канавки, надежный тепловой контакт снижают эту погрешность.

В последние годы разработаны микротермопары, а также технологический процесс их изготовления и установки (рис. 3.22, г). Они состоят из изолированных термоэлектродов 1 диаметром от 0,07 до 0,15 мм, заключенных в защитный капил­ляр из нержавеющей стали диаметром 0,5—1,0 мм, толщиной стенки 0,1—0,2 мм. Изоляция выполнена из алундового покры­тия, которое наносится на термоэлектроды. Алундовую изоля­цию применяют при измерении высоких температур (более 600°С). Рабочий конец микротермопары сплющивают на длине 1—1,5 мм и заваривают с торца вместе с термоэлектродными проволочками.

Глубину канавки для укладки микротермопар в теле 2 (см. рис. 3.22, г) выполняют на 0,15—0,2мм больше диаметра ка­пилляра. Рабочий спай термопары закрепляют в канавке заче-каниванием. Канавку с термопарой заполняют расплавленным металлом 3 с помощью специального плазменного металлизатора. После металлизации поверхность тщательно зачищают и полируют. При металлизации остальную поверхность тела за­чищают лаком.

Микротермопары обладают высокой механической прочно­стью. Это позволяет использовать их для измерения темпера­туры подвижных деталей и поверхности, обтекаемой интенсив­ными потоками. Применение микротермопар существенно повы­шает точность измерения температуры поверхности. Они широко применяются в научно-исследовательских работах, при термометрировании таких ответственных деталей, как охлаж­даемые лопатки высокотемпературных газовых турбин, ТВЭЛы реакторов и др. На рис. 3 23 показана установка микротермо­пар 2 на сопловой охлаждаемой лопатке 1 дефлекторного типа. В сечении лопатки закреплено шесть хромель-алюмелевых термопар с диаметром защитного капилляра 0,5 мм. Канавки 4 выполнены по образующим профиля и заполнены слоем 3 того же металла, из которого изготовлена лопатка 1.

Читайте также:  Показатель который не применяется для измерения вариации значения признака

Температура поверхности может измеряться также мало­габаритными платиновыми термометрами сопротивления. Мик­ротермометр сопротивления выполнен из тончайшей платиновой нити, покрытой алундовой изоляцией. Она помещается в ка­пилляр из нержавеющей стали диаметром до 0,5 мм.

Закрепление чувствительных элементов непосредственно на измеряемой поверхности производят в случаях, когда невоз­можно выполнить канавки (в трубах парогенераторов, в обо­лочке твэлов ядерных реакторов и др.). Рабочие концы закреп­ляют механическими способами (зачеканкой, прижимными кольцами), пайкой и сваркой. Главный недостаток механиче­ских способов крепления — ненадежный тепловой контакт рабо­чих концов с измеряемой поверхностью. На рис. 3 24 показано крепление термоэлектродов 3 на трубе / с помощью накладки 2, которая приварена к трубе. В отверстия этой накладки уста­новлены термоэлектроды и приварены к ней так, что образуют рабочий спай. Изолированные термоэлектроды 4 проложены по образующей трубы.

Крепление чувствительных элементов непосредственно на измеряемой поверхности обусловливает значительные система­тические погрешности. Нарушения температурного поля проис­ходят за счет изменения условий обтекания, теплообмена и отвода теплоты по термоэлектродам. Поправки вносятся на ос­нове специальных расчетов конкретных конструкций крепления либо их электромоделирования с учетом контактного сопротив­ления.

Неконтактные методы измерения температуры поверхности осуществляются пирометрами излучения. Точность измерения главным обра­зом зависит от оценки коэффициента черноты измеряемой по­верхности.

В газотурбостроении получают распространение радиацион­ные пирометры для измерения температуры подвижных деталей (лопаток, дисков), Специальные сверления в корпусе направ­ляют поток лучистой энергии, излучаемой поверхностью лопа­ток и дисков, на чувствительный элемент пирометра. Поток газа в этих отверстиях отсекается защитными кварцевыми стеклами. Градуировка пирометра в местных условиях обеспе­чивает удовлетворительную точность измерения температуры. В процессе измерения на защитных стеклах осаждаются сажи­стые и зольные частицы, ослабляющие поток лучистой энергии. Поэтому периодически стекла необходимо очищать.

В последние годы для измерения температуры поверхности стали применять термоиндикаторы — вещества, которые изме­няют свой внешний вид (цвет, фазовое состояние, яркость свечения) при достижении определенной температуры, называе­мой критической. Их используют для теплового контроля за труднодоступными поверхностями, в случае тонкостенных и подвижных деталей, при исследовании теплового состояния больших поверхностей. Сейчас разработаны наборы термочув­ствительных покрытий, охватывающих температурный диапазон от 40 до 1000° С. Например, серийно выпускаемый набор вклю­чает 34 термочувствительные краски для измерения темпера­туры от 45 до 830° С. В этом наборе при температуре менее 250° С интервал между соседними значениями критических тем­ператур колеблется от 5 до 25° С, при температуре до 590° С — от 20 до 50° С, при температуре до 825° С — от 100 до 135° С.

Нанесение термоиндикаторных покрытий может исказить температурное поле, особенно при интенсивном теплообмене с окружающей средой (путем конвекции или радиации). Умень­шение толщины покрытий и контролируемой поверхности сни­жает до допустимых значений систематическую погрешность. В случае нанесения покрытий на всей поверхности систематиче­ская погрешность определяется расчетным путем. Для этого необходимо знать теплопроводность и толщину покрытия, плотность теплового потока.

Термоиндикаторные покрытия наносятся тремя способами: 1) непосредственно на измеряемую поверхность в виде пятен или полос; 2) на пластинки, которые крепят к поверхности; 3) на всю поверхность. Двум последним способам свойственна систематическая погрешность, которая определяется расчетом. При нанесении пятен толщина слоя не превышает 80 мкм, диа­метр 5 мм. В этом случае можно не учитывать искажение температурного поля. На поверхность обычно наносят пять-семь различных термоиндикаторов, охватывающих ожидаемый температурный интервал. Перед нанесением покрытий поверх­ность тщательно очищается.

Для удобства последующей расшифровки термоиндикаторы наносятся в порядке возрастания критической температуры; последний индикатор с максимальной температурой наносится в виде прямоугольника. После измерений производят осмотр и отмечают номера первого термоиндикатора, не изменившего цвет, и последнего, изменившего окраску. При осмотре исполь­зуется пластинка — эталон с исходными цветами термоиндикаторов. Максимальная температура поверхности заключена между указательными значениями; погрешность равна половине тем­пературного интервала.

Основные недостатки этого метода заключаются в невоз­можности измерения переменной температуры, в необходимо­сти остановки двигателей для отсчета в зависимости критиче­ских температур от теплового режима исследуемой поверхно­сти.

Источник